Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом (1987)

ББК 32.9655 Б90 УДК б29,7.05 Б у к о в В.Н. Алдптнвные пропванрувлпне системы управлении полетам. — М.: Наука. Гл. реп, фнз;мат. лнт., 1987. — 232 с. Рецензент член-корреспондент АН СССР А.А, Красовский ю Изцательство "наука*'. Главная редакция физико-математической литературы, 1987 1501000000 — 01 8 Б ' 1М|т 053 (Я) .87 Рассматриваются мпорнтмы адапппиюго управления динамическкми процессами, основанные на сомтавии синтеза оптимального управления с использоваяием прогнозирующих моделей ы оцениваыни в реиаьном масппабе времени параметров управляемого процесса. Они позволяют в наиболее полном обьеме и в естественной форме учесть при синтезе управления как априорную, так и получаемую в процессе функционировании системы информацию о динамических свойствах объекта. Управление существенно нелинейным процессом осушесталиется без обязательных упрощений их моделей.

Возможный круг использования предлагаемьпс адаазпвных прогнозирующих систем знаапельио шире рассматриваемых задач управления полетом и охватывает абсолюпюе болыпинство техполопеюских процессов, задач управления подвпшсыьш обьектами н пр. Дюс специалистов в области Управлення цолеюм ы общей теории управлеыыя. Табл. 3. Ил. 47. Библпогр. 137 наев. $55, Траекторное упрэвлеине с оптимизируемой прозраммой... 8 5.6.

Траекторное управление с контрольнымн сечениями..... $5,7. Автоматм ограничений с прогнозированием........... $5.8. Управление с линейной прогнозируюшей моделью....... 134 Г41 145 Г52 155 155 163 167 173 179 184 185 Гро 8 6.5. Автоматизация выдерпнваыия ограничений............. 8 6.6.

Обеспечение услзйчнвости самолета на больших углах атаки .. 8 6.7. Двухуровневое управление геометрической высотой полета, . б 6.8. Управление разгоном и подъемом самолета.....,....... Глава7 Параметрнчесвзл швштнфнкацнл и адаптивное упрнаэввпе с прогнаырова- 193 197 202 б 7.1. Теорема разделения дал задачи эданшвного управления...,...., ., б 7.2. Иденткфикацна при точном язмермши компонент сосгошшя обьекта .. $7.3. Текущая нцамяфвкация в адэзшпшой системе упрвалеиил......... Приложение! О ер мимар чшкоднфферм шро,жпия 211 ПрнложениеП формулы частных производных закона управления с прогнозированием.

214 ПрнложнниеШ Аэрош~нвмичвские характеристики гипотетического самолета 219 Осиовиме обозначении. 220 Аббревиатуры....... Ошсок литературы . Предметный указатель 221 222 229 Главаб Конкретные применения алгорвтьюв управления с прогнозированием...... $6.1. Управлмше продолыпам короткопериодаческим движением иа основе впиритма с численным дифференцированием,... $6.2. Управление продольным короткоперяодическим денжеэием на основе аэгоритма с аиелнзнческим решением 8 6.3. Улрэвлмше пространсшенвым движением летательного аппарата...., б 6.4.Обеспечение поперечяой управляемости самолета на больших углах ПРИДИСЛОВИВ Интенсивное развитие и широкое внедрение микропроцессорной вычислительной техники открывают новые„недоступные ранее перспективы создания авиационной техники в целом и систем управления полетом в частности.

При этом возрастает значение средств автоматизации управления полетом в достижении требуемых свойств летательных аппаратов, эффективности их использования и безопасности выполнения полетов. Все настоятельнее перед авиационными специалистами встает вопрос создания многофункциональных оптимальных систем управления движением летательного аппарата, обладающих развитыми свойствами адаптации к изменяющимся в широких диапазонах условиям полета, возникновению непредвиденных илн маловероятных ситуаций. В книге рассматриваются принципы построения и прикладная теория адаптивных систем управления, основанных на сочетании процедур оптимального оценивания параметров (идентификации) и состояния (фильтрации) управляемого процесса с процедурами оптимизации управления с использованием прогнозирующих моделей, Такие системы именуются адаптивными прогнознрующими системами (АПС). И хотя область возможного применения АПС значителыю шире представленной в книге, здесь речь идет только о системах автоматического (автоматизированного) управления полетом.

Сама идея сочетания в адаптивной системе оптимального (субоптималь~юго) оценивания и оптимального управления известна достаточно давно и получила широкое распространение среди исследователей. Основной отличительной особенностью рассматриваемых здесь алгоритмов является использование прогнозирующих моделей, которые предназначены для воспроизведения "возможного будущего" движения управляемого объекта при фиксированных управляющих и возмущающих сигналах. Сразу же оговоримся, что такое прогнозирование является условным инепреследует цель "точного предвидения" будущих состояний, а лишь обеспечивает численное получение требуемого решения оптимизационной задачи. Рассматриваемый здесь метод прогноэирующей модели является одним из вариантов оптимизации управления динамическими обьектами по предложенному А.А.

Красовским критерию обобщенной работы. И хотя этот метод сравнительно молод (первая публикация относится к 1975 году), он уже завоевал внимание широкого круга специалистов н продемонстрировал работоспособность и эффективность при решении различных достаточно сложных задач управления движущимися обьектами и технологическими процессами. Это связано с уникальной возможностью управления существенно нелинейными процессами, когда для формирования управле- ния не требуются какие-либо приншшиальные упрощения и аппроксимации характеристик обьекта. Конечно, имеются еще вопросы, требующие даяьнейшего исследования. Прежде всего к ним относятся вопросы текущей идентификации, вопросы использования неквадратичных функционалов и пр.

Данная книга представляет собой некоторое обобщение результатов исследований в области создания прикладной теории адаптивных прогнозирующих систем и их использования в задачах управления движением летательных аппаратов. Первая глава посвящена обоснованию перспективности адаптивного управления полетом. Здесь содержится краткий анализ основных современных проблем развития техники управления летательнь1ми аппаратами, излагаются существо и цели адаптивного управления полетом, приводятся некоторые обобщения распространенных в публикациях подходов к построению адаптивных систем управления. Глава заканчивается описанием облика многопараметрических адаптивных оптимальньм систем с идентификацией и оптимизацией. Во второй главе излагаются математические модели движения жесткого самолета, рассматриваемого как обьект управлении.

Изучаются модели различной сложности: от полной нелинейной (различные варианты) до простейшей линейной второго порядка. Значительное внимание уделяется моделированию пространственного движения самолета. Третья глава содержит основные теоретические результаты аналитического конструирования регуляторов в формулировке А.А.Красовского.

для сравнапгя приводятся некоторые положения метода анапитического конструирования регуляторов в формулировке Летова — Калмана. Подробно излагаются различные варианты алгоритмов с прогнозируюшими моделями, обсуждаются вопросы, связанные с квантованием и запаздыванием сигнала управления, а также с обобщением на задачи с функпноналом, отличающимся от критерия обобщенной работы. В четвертой главе аналитически рассматриваются некоторые характерные свойства оптимального управления, сформированного на основе предлагаемых алгоритмов.

Анализ проводится на примере управления линейным обьектом прн квадратичном функционале. Хотя круг рассматриваемых здесь обьектов существенно уже области возможного применения алгоритмов управления, результаты анализа позволяют оценить ряд их важных свойств. Пятая глава книги содержит в основном оригинальный материал, связанный с разработкой алгоритмического обеспечения различных подсистем управления полетом.

Здесь в широкой постановке обсужцаются вопросы декомпозиции процесса управления дпя данного класса апгорнтмов. Для пнлотажного уровня, т.е. для наиболее низкого уровня в рассматриваемых задачах, предпагаются алгоритмы непрерывного и релейного оптимального управления с прогнозированием. Для траекторного уровня, представляющего собой более высокий уровень в иерархии управления полетом, предпагаются алгоритмы двух типов: с локальной оптимизацией, когда оптимизируется траектория в сравнительно небольшой окрестности текущего состояния летательного аппарата, и с оптимизируемой программой, когда оптимизируется траектория, описываемая предварительно с помощью 6 специально выбранных функций Отдельно рассматриваются задачи траекторного управления, для которых характерны так называемые контрольные сечения, т.е.

некоторые области пространства (или различных подпространств), прохождение через которые траекторий движения летательного аппарата регламентируется особо. Глава завершается рассмотрением автоматов вьщерживания заданных ограничений на движение летательного аппарата и способа упрощения алгоритмического обеспечения АПС за счет использования линейных прогнозирующих моделей. В шестой главе приводятся некоторые результаты численного исследования АПС в различных задачах управления полетом. Седьмая глава посвящена изложению отдельных вопросов идентификации в АПС. С помощью теоремы предельного разделения обосновывается допустимость автономного синтеза процедур оценивания и управления.

Излагаются алгоритмы оптимального (в смысле минимальных ковариаций ошибок) оценивания параметров объекта управления при различном уровне учета особенностей его модели. Книга имеет прикладную направленность и рассчитана на инженеров, научных работников и студентов, специализирующихся в области автоматического управления. Глава 1 РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ Глава содержит краткий анализ некоторых перспектив развития бортовых систем управления летательными аппаратами, основанньй на работах отечественных и зарубежных специалистов. Освещается проблема адаптивного управления движением летательных аппаратов н приводится общая структура адаптивной оптимальной системы управления полетом, использующей текущую идентификацию динамических характеристик управляемого процесса. $1.1.